Автоматизированная система расчета и оценки стоимости конструкции нежесткой дорожной одежды Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 004.42:625.7

А.А.Тайлакова, М. А. Катасонов, А.Г. Пимонов

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА РАСЧЕТА И ОЦЕНКИ СТОИМОСТИ КОНСТРУКЦИИ НЕЖЕСТКОЙ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ

Дорожное хозяйство представляет собой один из крупнейших сегментов общественного достояния России. Без дорожной сети не могут быть реализованы статьи Конституции Российской Федерации, в которых гарантируются права на свободу передвижения граждан, на свободное перемещение товаров и услуг, единство экономического пространства. Автомобильные дороги играют важную роль в решении социальных задач, реализации приоритетных национальных проектов. В настоящее время в связи с активизацией участия России в глобальном развитии мировой экономики существенно усиливается роль автомобильного хозяйства. Недостаточный же уровень развития автомобильных дорог выступает серьезным фактором [1], ограничивающим темпы роста экономики, ухудшающим качество жизни и уровень безопасности населения. Экономический рост ре-

гионов напрямую зависит от состояния транспортной системы. Кемеровская область - высокоурбанизированный регион, и дорожная сеть здесь очень насыщенная: общая протяженность дорог в Кузбассе составляет более 14 тыс. км. Если в среднем по России плотность дорог равняется 31 км на 1 тыс. кв. км, то по Кузбассу почти в два раза больше - 61 км на тысячу кв. км [2].

Одной из наиболее серьезных проблем на текущий момент остается неудовлетворительное техническое состояние и дефицит пропускной способности значительных по протяженности участков автомобильных дорог общего пользования. Из-за низкого уровня транспортно-

эксплуатационного состояния российских автомобильных дорог средние скорости движения автомобилей по ним существенно ниже, чем в европейских странах. Кроме того перегруженность

Рис.1. Блок-схема алгоритма расчета

сети автомобильных дорог общего пользования значительно усиливает негативное влияние автотранспортных потоков на экологическую обстановку в районах их прохождения.

Несмотря на то, что в России уровень автомобилизации населения в несколько раз ниже, чем в странах Европейского Союза и США (Российская Федерация - 177,8 шт. на 1000 человек [3], в 15 основных странах ЕС - 508 шт. на 1000 человек на конец 2006 года [4]), показатель погибших в дорожно-транспортных происшествиях на российских дорогах является самым высоким среди развитых стран. По данным пресс-службы ГИБДД [5], в 2007 году в России в ДТП погибли 27 289 человек, то есть почти столько же, сколько 6-7 лет назад погибало во всех странах - членах ЕС. Это не в последнюю очередь связано с низким уровнем транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог общего пользования [1]. Режимы и безопасность движения автомобильного транспорта определяет состояние дорожного покрытия. Дорожная одежда является одним из наиболее важных и материалоемких элементов автомобильной дороги.

Дорожная одежда [1] - конструкция проезжей части, устраиваемая на земляном полотне в виде одного или нескольких слоев из различных материалов с целью создания оптимальных условий для движения автомобилей. Она воспринимает нагрузку от транспортных средств и передает ее на грунтовое основание или подстилающий грунт. Конструкция дорожной одежды, как и любое инженерное сооружение, должна быть достаточно надежной и соответствовать определенным эксплуатационным требованиям. Дорожные одежды являются одним из наиболее дорогих элементов

автомобильных дорог [6], их экономичность в значительной степени определяет строительную стоимость объекта в целом и эффективность капиталовложений.

Различают дорожные одежды жесткого и нежесткого типа. Жесткими считают одежды, у которых материал одного или нескольких слоев обладает сопротивлением изгибу и модулем упругости, практически не зависящим от температуры и влажности, а также мало изменяет свои свойства в течение всего срока службы. К ним относятся одежды с цементо- и железобетонными покрытиями и основаниями. Нежесткими называют одежды, прочность материалов слоев которых при изгибе и модуль упругости существенно зависят от температуры и влажности (асфальтобетон и др.), или же одежды с несущими слоями, не способными сопротивляться изгибу (щебень, гравийно-песчаные смеси и т. д.). Методы расчета жестких и нежестких дорожных одежд существенно различаются [1].

Проектирование дорожной одежды представляет собой единый процесс [7] конструирования и расчета дорожной конструкции на прочность, морозоустойчивость с технико-экономическим обоснованием вариантов с целью выбора наиболее экономичного в данных условиях. В настоящее время на территории Российской Федерации в качестве нормативного документа, регламентирующего метод расчета нежестких дорожных одежд, приняты ОДН 218.046-01 («Отраслевые дорожные нормы проектирование нежестких дорожных одежд»). Документ содержит указания по конструированию и расчету нежестких дорожных одежд автомобильных дорог общей сети. ОДН применимы для проектирования вновь сооружае-

Рг;у.п.г"и

ДОКДОМ* Гф - -эрилггшыя [|*1Н4«мя 1111:=:- -■ ,1Ч1Г#ННР

птпеиугьч и, £М.ЧЕГри< <ВД«ф«1цгй:|Л -Чч^-пи :4{ЧЕ№М< ^С-,1 Афишки! ■-рц--нв =л-:чкгььл1| *с->фф-ии.н»-л -^тг'-иг! ГиЧЧегньлЗ чсф.ТЬ рпоргасш м.т-11чй! н-1« грей’ЬммП изд.*! -•зи«р -о1р:ы аг вС-знты

:х1Ц31#1оз* г?гН1»

рСОгМеиое ЛИ Л*нноЙ

V и

-лиНН! УЧ1П1Г4 -Пглг-.!жн-.:гр, рцяпи

члс'6р*н^р:нм:н 11пр|г-ин:|1 -.труп н пр«ДОЬ-**} ДОНГЛННШ

;аз-п1-н р.:н-¥Ми.-^4 наданкм

IИ СП-:, ■.•'им Г.и>ф0н^4£111 Т11\14'нин ■ и зрг&ул-ын ■ ф-Ьн ^мнг пг-эчч-зчгн г-з :рг*£ .■»г'А,"к

<СД-М ДОСчННЯ'ДОЕЙ Ь г:* С1СКС)Ши и н* ^:^аи>а-[гни1*||-»г1я з:т пгуГ^ня -ррли»г".м-и» тг,'-_ч

1 к!

■ципифмипртчкс! |>ЧТЧРТ*|Л нлул- г-.гг.-т/ г.чг-з

1ь: ММ

ГМП МЛ1

нляу*-л* Ц|Г[ри|.ч

адснтофккатор мкр^зи]

1У С1Ш|£.ч'!^|Сф дйГ£*£рЬ

Ъ| 1 г1 —- 5 0

стона

л^-'и-|||£!-г': иагрр^АЛ)

Р£111ЛЛ1Ш идо?"'™

^№2

ЫйТО01Ши V И

тип идол ну г я Ы1р£1

р^чсг-ыс лич.-мп* чсяли (■ирц-эеги

г

»

^ЗНЙК'НЬ:

ЕрЛ1К-2ЦЭСКН>11ЫН ■ |! ■р11'Ч11Н ■‘10

с рл г>:-з ери ным нздйгьугр^-апн -ЗЕ1

-3'

ДОГКМреМЬчЛвЛ гЦДОв- Г'рр-0ПН -.1*5 «.ра'кзЕрсккищ-м гк^ь/^ругчшн “эО рл:ч1'-->1.‘ ивдула ьиг^тгсгч'

сдешгч*»} и^.1,урвете с» -з;

Р^че -м? иодъ^пбэгасге -4'

(.■а-.4счл" н'.'Д/л 1 .чм:}I ;*:г.-

ЕВДффНЛНРНГ ТЛ1 >1Пр-ЛРЛ1у§ ■;0»Ога^1спТ ШННвгЧИ -рОчгОПН ]ич1их ыЬ-элы^ашс рлсчсн! г,рм|||ч^л№)чн1м'1

[МТ’1Р- Н1 Г-.Ч-3лГ■ г*.'н пги ичгиЛг

Г Э ЭДН Ч! (ХИ Н^СрЫЭ^-Я ТпрС^С^.'ЫН ВДД'.^Ь 1 ПО «ГО СТА

Н =5 :И

Й («Г+'ар.Ч.^О^Г!!

•1^нм1= |*ов сг<игтъо« чмс.1- ПНН10ПК4Н1Й р|с««™ей Ч*ТГ/1Ш

ТрсН;.^|з(Л гм^Ч-чПр.Тй^п «гАНГАЪгтЗЙ

|рЕ&;.ч71ии кидмь ^т?р>тс-:г 11 оЬ.к-чсшкн

№ фк^.чгы:'! 1-аупр.тг-:”:! шм■■■агнЕ-ч»

Ми*э1вчрмнс- ырлгервгпкп тапгагамягрюм!. ? -а

М1Ч№№>

:-4рлЁ41«з

--111--*Н!П г 1 Г.Т' '^*Р^ГИГТН

'(ХСуСММк Пййчн Г»!Тн

Тм

Ги^ЧгИип МЬДОН^МНГ рЩ1ряИ>ч41Е ЗД||н-*я

1р|Е!.чьы!' £йк-фо:о:.||1нг гк-ач—апи п* сркириг упруга га -р&-ийл

Трвв^РЫ? *0>40»«^*НТ ЧЮ^ПН ПГ.гркцрн-=г«н,1

Г||1|ИН.!гН|1г К 11 ■ г гй “Н-|:',|‘.-1СН

I о

11111 млиииЁмсй

■и юф-упигчт грин.мнш к р1г-*-1н:п -лгрузг»

НСринГНГ-'ЬО иННГйЕкО: Ирзктйонпмй ..

Ч ы

со^Г--..4 3 ОР-Ч0*1**Ь*1а!Р [:»«КГ:

[цН1Нт1№

,ТОЧ ■-^1 = <Н||С1-3 фСШМ

Рис. 2. Фрагмент структуры базы данных

Ел Ер 0.45 Г: ,31': а.1 02(\2 Згн 0.» 0.9 1.1) 1,) 1,1 1.1 3,4 О ■ —'т ^ "гт"^ |‘>.0^1.1 Р.-■ | Iut.-14ILI_.-Jl

!«:+.■: ф;т«' кчшгть с н-гч*мм| ► р т]

с ■■ >*•« | | 11 Т]

чЧ Ч ч! ^ ^ V М Т.* 1: и-1.9 1.и

К-НП-рЧ-». Л 1.1 Г ГГ^ДПГЧЬЛ ~п I .>* "Г 1. П0|ГП ;Г "Л Г - Г.-11 у Г фГ. ( 1Ч'| - гЛ г.

г к ■У<? ► | ГКсрй Г^-ЙГУ-!^ |

, и , 7П |* 1 1л Ц Т |Я ^

П.бЗ г 1* И - 1-« И

:: '

№ 0,45 Отступ

Л |И К |П V |лд> V |-шлн

' , ^ : Ъ '-'Л-'

1.'С2й>Тс Т-аСЛШЦ

Г-: '-1 :■ '? Кш*.м..-*1П ^ Еи.«.и«11М 3

л: II II. Ы'-11-1.1', | Г'-Л)--! _ -Л. IX

сдо 0.25 о.ао Й.1Э

ИНШвИрРрР .. . ...

• ■ -■

А.ия

А.1 0.2*10.1 0.5 9.* С,7 О.ВО.* 1.И 1,1 1,1 1.3 И 1,5 1,4 1 1 1,1 ],*

Рис. 3. Подсистема обработки графической информации

мых дорожных одежд, новых участков реконструируемых дорог, разработки альбомов типовых конструкций, а также могут использоваться при оценке прочности и при проектировании усиления дорожных одежд существующих дорог. Эти нормы [7] предназначены для работников системы дорожного хозяйства.

Процедура конструирования дорожной одежды включает:

1) выбор вида покрытия;

2) назначение числа конструктивных слоев с выбором материалов для устройства слоев, размещение слоев в конструкции и назначение их ориентировочных толщин;

3) предварительную оценку необходимости назначения дополнительных морозозащитных мер с учетом дорожно-климатической зоны, типа грунта рабочего слоя земляного полотна и схемы увлажнения рабочего слоя на различных участках;

4) предварительный отбор конкурентоспособных вариантов с учетом местных природных и проектных условий работы [1].

Задача расчета конструкции дорожной одежды сводится к нахождению значений толщины конструктивных слоев, при которых конструкция

будет удовлетворять всем необходимым параметрам (рис. 1).

Существуют различные программные продукты, предназначенные для проектирования дорог и позволяющие решать задачу расчета дорожных одежд. Например, такие системы как программный комплекс «Топоматик ЯдЬиг - автомобильные дороги», «Радон 2.2 - Расчет дорожной одежды». Реализованная функциональность данных программных средств обеспечивает комплекс задач, решаемых при разработке проектов нового строительства и реконструкции. Но в данных программных продуктах невозможен учет особенностей условий региона.

Разработанная автоматизированная сист

ема расчета и оценки стоимости конст рукции нежесткой дорожной одежды адаптирована к климатически, географическим и экономическим условиям региона. Комплекс программ включает в себя следующие подсистемы:

1) ведение базы справочной информации;

2) оцифровка графической информации;

3) визуализация графической информации;

4) проектирование конструкции;

5) расчет дорожных одежд на прочность:

При ИЛ)» [ї^з При Еп/Еу= |о з5

2] Е [МПа = Г

Рис. 4. Номограмма для определения растягивающего напряжения при изгибе

5.1) расчет конструкции в целом по допускаемому упругому прогибу

5.2) расчет конструкции по условию сдвиго-устойчивости подстилающего грунта и малосвязных конструктивных слоев;

5.3) расчет конструкции на сопротивление

Рис. 5. Номограмма для определения общего модуля упругости двухслойной системы

монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе;

6) проверка на морозоустойчивость;

7) поиск наиболее экономичного варианта;

8) корректировка толщин конструктивных слоев;

ІНІВИІ

Прн&Ф* гц-

Прм Еі-^Еч»

Пр*Н= 112

Р-ЭГ-ЕТ

г - =п.:г,

М>

Рис. 6. Номограмма для определения активного напряжения сдвига

Исходная информация

Название участка Участок 1

Протяженность 100 (км)

Т ип дорожной одежды Капитальный

Категория дороги I

Заданный коэффициент надежности 0,98

Т ип нагрузки

Дорожно-климатическая зона Схема увлажнения Количество расчетных дней в году Срок службы

125

15 (лет)

Конструкция

№ Наименование материала/ грунта И(см) |

1 Асфальтобетон плотный на БН Д марки 60/90 4

2 Асфальтобетон пористый на БНД марки Б0/Э0 В

3 Асфальтобетон высокопористый на БНД марки 60/90 14

4 Щебеночная смесь 34

5 Супесь пылеватая Мр = 0,7^/! 7

<л1

Показатели прочности

Ш:.

?.;:Q

У'&::

минимальный требуемый общий |-------

модуль упругости конструкции, МПа Emin = 1284,4

общий расчетный

модуль упругости конструкции, МПа ЕоЬ = 1380,5

Критерий Коэффициент прочности Кр Коэффициент прочности Ктр Соответствие критерию |

Упругий прогиб 1,7 1,3 Соответствует

Сдвиг в грунте 1,3 1,1 Соответствует

Растяжение при изгибе 1,2 1,75 Не соответствует

Критерий |Ожидаемое пучение грунта,см | Допускаемое пучение грунга,см | Соответствие критерию

М орозоустойчивость 3,7 4 Соответствует

Общая стоимость конструкции (1 м2, руб)= 3003

Рис. 7. Форма для вывода результатов расчета

9) ведение базы проектируемых участков;

10) формирование отчетов.

При разработке программной системы использовалась клиент-серверная технология автоматизированных баз данных СУБД ШегВаБе и методика визуального программирования в среде разработки Вог1аМ Бе1рЫ.

Программный комплекс функционирует на основе базы данных, фрагмент структуры которой представлен на рис. 2. База данных содержит 42 таблицы, основными из которых являются следующие: таблица для хранения вариантов конструкции, результатов расчетов, информации о проектируемых участках. Кроме этих данных база [8] включает в себя таблицы, необходимые для определения расчетных характеристик грунта и материалов, а также справочники показателей, необходимых для расчета конструкции по основным критериям в соответствии с ОДН 218.046-01.

В составе комплекса программ реализована подсистема работы с информацией о материалах и грунтах, которая предназначена для решения следующих задач:

1) добавления характеристик новых материалов и грунтов;

2) изменения расчетных параметров материалов и грунтов в базе данных;

3) удаления информации о материалах и грун-

тах из базы.

Часть показателей, необходимых для расчета, представлена в нормативном документе в виде графиков и номограмм. Так как данная информация не должна вводиться пользователем в качестве исходных данных, и к ней необходимо автоматическое обращение программы в процессе расчета, потребовалось перевести эти данные в цифровое представление. В связи с этим реализована соответствующая подсистема обработки графической информации (рис. 3). С помощью наложения сетки определяется значение цены деления шкалы в точках, затем загружается предварительно обработанное в графическом редакторе изображение и происходит заполнение соответствующих таблиц в базе данных [8].

Содержащиеся в нормативном документе графики и номограммы могут понадобиться при решении различных задач, связанных с проектированием дорог. В связи с этим в программный комплекс включена подсистема визуализации полученных значений в виде графиков, построенных на основе информации, находящейся в заполненных таблицах. Реализовано три различных метода работы с номограммами:

1) поиск значения по заданной линии и одному параметру (рис. 4);

Конструкция нежесткой дорожной одежды

Исходные данные

Наименование Участок№1

Протяженность, км 100

Категория автомобильной дороги I

Тип дорожной одежды Капитальный

Заданный коэффициент надежности 0,98

Тип нагрузки Дорожно-климатическая зона Количество расчетных дней в году А1 И 125

Интенсивность движения на конец срока службы, авт/сут 900

Заданный срок службы, лет 15

I I I I I л

і

О О о о о о O.Vq.'O.'.O. о.'. о. < О о О ООО < О: -Ь'о: <5'6: о: < 0 0 -0 0 0,0 < о о* о с- о о о 0 о с О 0 о:.о.о: £>'Ъ. &

Результат расчета

Параметр расчета Расчетное значение Требуемое значени Соотношение

Расчет по допускаемому упругому прогибу Кп=1,7 Ктр=1,3 Кп > Ктр

Расчет на сопротивление монолитных слоев Кп=1,3 Ктр=1.1 Кп > Ктр

Расчет по условию сдвигоустойчивости Кп=1,2 Ктр=1,75 Кп < Ктр

Расчет морозоустойчивости Іпуч = 3,7 см Ідоп = 4 см Іпуч< Ідоп

Материал слоя Толщина, см Расчет по допустимому упругому прогибу, Е, МПа Расчет по условию сдвигоустойчивости. Е. Па Расчет на растяжение при изгибе

Е. Мпа МП а -

Асфальтобетон плотный на БНД марки 60/90 4 3200 1800 4500 9,8 5,2 5,5

Асфальтобетон пористый на БНД марки 60/90 8 2000 1200 2800 8 5,9 4.3

Асфальтобетон высокопористый на БНД марки 60/90 14 2000 1200 2100 5.7 6.3 4

Щебеночная смесь 34 205 205 205

Подстилающий грунт

Супесь пылеватая 46 46 46 -

Рис. S. Отчет о расчете конструкции нежесткой дорожной одежды

2) поиск линии по значениям двух заданных параметров (рис. 5);

3) поиск значения по двум заданным линиям и одному параметру (рис. 6).

В программном комплексе реализован алгоритм (рис. 1), описанный ранее. Для начала работы необходимо назначить конструкцию нежесткой дорожной одежды и внести информацию о проектируемом участке дороги.

В процессе расчета конструкции на прочность выполняются вычисления по критериям упругого прогиба, сдвигоустойчивости малосвязных конструктивных слоев и подстилающего грунта и расчет на сопротивление монолитных слоев усталостному растяжению при изгибе. Результатом расчета являются значения расчетных коэффициентов по соответствующим критериям. На основании их сопоставления с нормативными значениями может быть сделан вывод о соответствии или несоответствии конструкции требованиям прочности (рис. 7).

В процессе проверки конструкции на морозоустойчивость рассчитываются значения ожидаемого и допустимого пучения грунта. Если величина ожидаемого пучения грунта не превышает допустимого значения, то конструкцию считают соответствующей требованию морозоустойчивости (рис. 7).

Поиск наиболее экономичного варианта конструкции осуществляется в случае ее соответствия требованиям прочности и морозоустойчивости. В результате расчета выполняется поиск наиболее дешевого варианта конструкции, а также формируется отчет обо всех возможных ее вариантах, соответствующих заданным требованиям. Сформированный отчет экспортируется на рабочий лист MS Excel.

В результате работы системы будут получены основные расчетные показатели, и на основании

их сопоставления с нормативными значениями будет сделан вывод о соответствии конструкции основным параметрам прочности и морозоустойчивости (рис. 7). Предусмотрена

возможность повторного расчета с изменением входных параметров. При этом все рассчитанные варианты конструкции сохраняются в базе данных, и каждый из них может быть экспортирован на рабочий лист MS Excel (рис. 8).

В случае несоответствия конструкции требованиям прочности или морозоустойчивости возможна корректировка толщин конструктивных слоев. Уточнение конструкции производится методом покоординатного спуска. В процессе работы подсистемы происходит поиск толщин слоев конструкции, при которых будут обеспечены требования прочности и морозоустойчивости. В случае отсутствия варианта, удовлетворяющего необходимым параметрам, подсистема сообщает о невозможности уточнения конструкции.

Разработанный комплекс программ позволяет повысить производительность труда специали-стов-дорожников при проектировании автомобильных дорог, а именно конструкции нежесткой дорожной одежды.

В настоящее время ведутся работы по созданию модульной системы проектирования, технического обслуживания и паспортизации дорог (рис. 9), в которую будут включены «Информационно-расчетная система оценки технического состояния и стоимости мероприятий по ремонту автодорожных мостов», «Автоматизированная

база паспортов автомобильных дорог», а также программный комплекс расчета нежесткой дорожной одежды. Данная система может использоваться для проектирования и строительства дорог, автоматизации работы с информацией о сети автомобильных дорог, учета, обслуживания и ремонта искусственных сооружений.

Рис. 9. Модульная система проектирования, технического обслуживания

и паспортизации дорог

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Афиногенов, О.П. Проектирование нежестких дорожных одежд. - Кемерово: Кузбассвузиз-дат, 2004. - 130 с.

2. Информационное агентство «К^шт». Новости - главные новости России, СНГ и мира -лента новостей ИА «Я^шт» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.regnum.ru/news, свободный.

3. Федеральная служба государственной статистики [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.gks.ru, свободный.

4. Об автомобилизации в странах ЕС / Автообозрение / Вся Москва [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.adb.ru/reviews/review, свободный.

5. "Транспортный Дозор" - информационно-аналитический портал о транспортной безопасности [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://transbez.com/info/avto, свободный.

6. Дорожное хозяйство России, 2008: цифры и факты : справ.-иллюстр. материал / М-во транспорта Рос. Федерации, Федерал. дорож. агентство. - М. : Росавтодор, 2007. - 397 с.

7. Отраслевые дорожные нормы. ОДН 218.046-01. Проектирование нежестких дорожных одежд / Минтранс России. - М.: Информавтодор, 2001. - 145 с.

8. Тайлакова, А.А. Автоматизированная система для расчета нежестких дорожных одежд / А.А. Тайлакова., Е.А. Хвостова // Сборник трудов VII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии». Томск, 25-27 февраля 2009 г., ч.2. Томск: Изд-во СПБ Графикс. - С. 99.

□ Авторы статьи:

Тайлакова Анна Александровна

- выпускница КузГТУ (гр.ПИ041). E-mail: knopka.anya@mail.ru;

Катасонов Максим Александрович ■ ассистент каф. автомобильных дорог КузГТУ. E-mail: kma.ad@kuzstu.ru;

Пимонов Александр Григорьевич

- докт. техн. наук, проф., зав. каф. вычислительной техники и информационных технологий. E-mail: pag_vt@kuzstu.ru.